Σταθμοί στην Ιστορία της Φυσικής Επιστήμης

Οι μεγάλοι επιταχυντές σωματιδίων επιτρέπουν στον άνθρωπο να εισχωρήσει στον μικρόκοσμο της Κβαντικής Φυσικής και να κατανοήσει διαδικασίες που δεν μπορεί να αντιληφθεί με τις αισθήσεις του (φωτ.: CERN)

Η προσπάθεια του ανθρώπου να γνωρίσει τα μυστικά του κόσμου που τον περιβάλλει αποτυπώνεται με χαρακτηριστικό τρόπο στην εξέλιξη της Φυσικής, από τις αναζητήσεις των Προσωκρατικών Φιλοσόφων μέχρι τα σύγχρονα επιτεύγματα της Κβαντικής Φυσικής.

Η αναζήτηση των αιτίων που προκαλούν τα φυσικά φαινόμενα απετέλεσε το έναυσμα που οδήγησε τον άνθρωπο στο «φιλοσοφείν», μία δραστηριότητα ανθρωπίνου πνεύματος η οποία είναι παράλληλη με την έρευνα του φυσικού κόσμου και επηρεάζει καθοριστικά τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμεθα τον κόσμο. Οι άνθρωποι μάλιστα κατά τον Αριστοτέλη του ειδέναι ορέγονται φύσει (Μετά τα Φυσικά, 980a, 21), καθώς είναι προορισμένοι από την φύση τους να γνωρίσουν τις αιτίες των πραγμάτων, ένας σκοπός που τον οποίο υπηρετεί η Φυσική Επιστήμη. Σκοπός επομένως αυτού του άρθρου είναι να δειχθούν ορισμένα ορόσημα στην ιστορία της Φυσικής.

Οι Προσωκρατικοί Φιλόσοφοι

Στη συμπόρευση της φιλοσοφίας και της φυσικής κυρίαρχο ρόλο έπαιξαν οι απόψεις των Προσωκρατικών Ελλήνων φιλοσόφων του 6ου π.Χ. αιώνα. Οι φιλόσοφοι αυτοί ονομάστηκαν και «φυσικοί φιλόσοφοι», καθώς προσπάθησαν να κατανοήσουν τους φυσικούς νόμους που δημιουργούν τα διάφορα φαινόμενα όχι στηριζόμενοι στους μυθικούς συμβολισμούς και την θρησκευτική παράδοση, αλλά βασιζόμενοι στο σχήμα αιτία-αποτέλεσμα.

Κατά την εποχή των Προσωκρατικών φιλοσόφων, ουσιαστικά θεμελιώνεται η επιστήμη με τη σημερινή έννοια του όρου, ως προσπάθεια μέσω της εμπειρίας και του συλλογισμού να καθοριστούν οι αιτίες των πραγμάτων. Κατά τον A.Comte μάλιστα, το ανθρώπινο πνεύμα ακολουθεί τρία στάδια εξελίξεως, ήτοι θεολογικό, μεταφυσικό και θετικό.

Κατά το θεολογικό στάδιο ο άνθρωπος επινοεί φανταστικά πρόσωπα προκειμένου να τους αποδώσει τις διάφορες δυνάμεις της φύσεως. Κατά το μεταφυσικό στάδιο, τη θέση των μυθικών προσώπων παίρνουν αφηρημένες έννοιες και τέλος στο θετικό στάδιο, αρχίζει πλέον η προσπάθεια επιστημονικής εξηγήσεως των φαινομένων της φύσεως (Δ. Κούτρα, Ιστορία και μεταφυσική, Αθήναι 1995, σ. 36).

Η ελληνική σκέψη συμβόλισε τις κοσμικές δυνάμεις μέσω των μύθων (Ορφέας, Ησίοδος) και εν συνεχεία πέρασε στο στάδιο της επιστημονικής σκέψης με τους Προσωκρατικούς φιλοσόφους.

Ειδικότερα οι αρχηγέτες του φιλοσοφικού αυτού ρεύματος, Θαλής Αναξίμανδρος-Αναξιμένης υπεστήριξαν την ενότητα της φύσεως βάσει ενός αρχικού στοιχείου που υφίσταται μετασχηματισμούς (ύδωρ – άπειρον – αήρ, αντιστοίχως).

Ο Αναξαγόρας από πλευράς του, μίλησε για τα θεμελιώδη στοιχεία της ύλης (ομοιομερή), τα οποία τίθενται σε τάξη χάρη στον νου. Οι Πυθαγόρειοι τόνισαν την σημασία των μαθηματικών σχέσεων στην κοσμική δημιουργία, ενώ οι Ατομικοί Φιλόσοφοι Λεύκιππος και Δημόκριτος θεώρησαν ως αρχές του κόσμου τα θεμελιώδη στοιχεία της ύλης (άτομα) και το κενό, εντός του οποίου τα άτομα κινούνται. Περαιτέρω, ο Εμπεδοκλής έκανε λόγο για τα τέσσερα αρχικά στοιχεία πύρ-αήρ-ύδωρ και για την προέλευσή τους από τον Σφαίρο, τονίζοντας έτσι την ενότητα του Σύμπαντος. Την ενότητα αυτή του κόσμου τόνισαν οι Ελεάτες φιλόσοφοι Ξενοφάνης και Παρμενίδης, ενώ ο Ηράκλειτος επεσήμανε ότι αρχή του κόσμου είναι το πύρ.

Οι Προσωκρατικοί φιλόσοφοι επομένως, με επιστημονικό τρόπο επιχειρούν να βρουν την αρχή του σύμπαντος, επισημαίνοντας μάλιστα την ενότητα που το διέπει. Ήταν τόσο σπουδαία η φιλοσοφική σκέψη των Προσωκρατικών, ώστε πολλές από τις θεωρίες τους για τη φύση, επηρέασαν καθοριστικά τη σκέψη του Πλάτωνα και του Αριστοτέλη.

Η Αναγέννηση

Ένα ακόμη σημαντικό ορόσημο στην ιστορία της φυσικής επιστήμης είναι η Αναγέννηση (14ος μέχρι 17ο αιώνα). Κατά την περίοδο αυτή παρατηρείται στροφή των λογίων στην μελέτη της ελληνικής αρχαιότητας και ιδιαίτερα στα έργα των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων και επιστημόνων. Eπιστήμονες όπως ο Γιοχάνες Κέπλερ (Johannes Kepler 1571 – 1630) που μελέτησαν τους Προσωκρατικούς και ιδιαίτερα την πυθαγόρεια διδασκαλία, υπεστήριξαν την θεωρία του ηλιοκεντρικού συστήματος.

Υπήρξαν βέβαια και περιπτώσεις επιστημόνων όπως ο Τζορντάνο Μπρούνο (Jordano Bruno 1548-1600) ο οποίος θανατώθηκε στην πυρά από την Ιερά Εξέταση, αλλά και ο Γαλιλαίος (Galileo Galilei 1564-1642), οι οποίοι υποστηρίζοντας την θεωρία του ηλιοκεντρικού συστήματος, ήρθαν σε πλήρη αντίθεση με την παπική εκκλησία. Φαίνεται λοιπόν ότι οι φιλοσοφικές πεποιθήσεις προσωπικοτήτων της Αναγέννησης, οι οποίοι διακρίθηκαν στον χώρο των Φυσικών Επιστημών, δεν ήταν πάντα συμβατές με το επικρατούν κοσμοείδωλο, που ήθελε τον άνθρωπο να είναι το κέντρο του Σύμπαντος (βλ. εκτενώς, Ευ. Θεοδοσίου, 2008 σ. 42-96 ).

Ωστόσο, η εποχή της Αναγέννησης χαρακτηρίζεται και από μία ακόμη χαρισματική προσωπικότητα, αυτήν του Ισαάκ Νεύτωνα (Isaak Newton 1642 – 1727), ο οποίος διετύπωσε τον Νόμο της Βαρύτητας, ενώ παράλληλα συνέβαλε και στην μελέτη του ηλιακού συστήματος μέσα από το έργο του «Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας». Ο Νεύτων βέβαια είναι ευρέως γνωστός και για την Μηχανική του, βάσει της οποίας το Σύμπαν είναι μια τεράστια μηχανή που λειτουργεί αιτιοκρατικά (ντετερμινιστικά), ενώ το μέλλον του καθορίζεται με κάθε λεπτομέρεια από την παρούσα κατάσταση. Οι ανακαλύψεις του Νεύτωνα αλλά και η πρόοδος των φυσικών επιστημών συνέβαλαν τα μέγιστα στην εμφάνιση φιλοσοφικών συστημάτων όπως ο υλισμός, που αντιλαμβάνεται τα πράγματα σαν αλληλεπιδράσεις, ή ο εμπειρισμός, κατά τον οποίο η γνώση προέρχεται από τις αισθήσεις.

Ο 20^ος αιώνας

Η Φυσική του 20^ου αιώνα επέφερε πολύ σημαντικές εξελίξεις στην επιστήμη της φυσικής, οι οποίες είχαν την σφραγίδα του Αϊνστάϊν (Albert Einstein). Ο σπουδαίος φυσικός έμεινε στην ιστορία αφενός για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και αφετέρου για την Ειδική και την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας.

Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας έχει τις εξής βασικές αρχές:

1) οι νόμοι της μηχανικής είναι ίδιοι σε κάθε αδρανειακό σύστημα αναφοράς

2) η ταχύτητα του φωτός είναι ίδια για όλους τους παρατηρητές, ανεξαρτήτως του συστήματος στο οποίο βρίσκονται

3) η μάζα ενός σώματος εξαρτάται από την ταχύτητα κινήσεως του σώματος. Είναι αδύνατον μάλιστα για κάποιο σώμα να κινηθεί με την ταχύτητα του φωτός, γιατί η μάζα του θα γινόταν άπειρη.

Η Ειδική Σχετικότητα ωστόσο, είχε μία πολύ ενδιαφέρουσα παράμετρο, η οποία έγκειται στην αντίληψη του χρόνου. Ενώ κατά την αριστοτελική θεώρηση ο χρόνος αποτελεί αριθμό της κινήσεως (Αριστοτέλης, Φυσική ακρόασις 251 b, 12), στην Ειδική Σχετικότητα ο χρόνος καθορίζεται αναλόγως προς τον παρατηρητή. Επισημαίνεται μάλιστα, ότι ένα «κινούμενο ρολόϊ» είναι πιο αργό εν σχέσει προς ένα ακίνητο ρολόϊ, καθώς ο χρόνος «διαστέλλεται (Serwayetall, 2007, σ.14). Επομένως η αντίληψη που έχει ο καθένας για τον χρόνο είναι διαφορετική (βλ. Καλαχάνης Κ., Θεοδοσίου Ευ., Πάνου Ευ., Μανιμάνης Β., 2012, σ.16) και κατά συνέπεια ένα θεμελιώδες φιλοσοφικό αξίωμα για τον χρόνο, καταρρίπτεται μέσω των φυσικών επιστημών.

Είναι χαρακτηριστικό μάλιστα, πως σύμφωνα με την Ειδική Σχετικότητα, ακόμη και η μέτρηση της απόστασης δυο σημείων μεταβάλλεται. Κατά συνέπεια, το μήκος μεταξύ δύο σημείων Α και Β που μετράται σε ένα κινούμενο σύστημα, είναι μικρότερο από το ίδιο μήκος, δηλαδή το μήκος που καταγράφεται όταν το σύστημα ηρεμεί (Serwayetall, 2007, σ.18).

Περαιτέρω, ο Einstein προέβη και στην διατύπωση της Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας, η οποία αποτελεί ουσιαστικά γενίκευση της Ειδικής Σχετικότητας, προκειμένου να συμπεριλάβει την βαρύτητα. Στα πλαίσια της θεωρίας αυτής απορρίπτεται ο απόλυτος χώρος και χρόνος, καθώς γίνεται λόγος για τετραδιάστατο χωροχρόνο, ο οποίος καμπυλώνεται αναλόγως προς την ποσότητα ύλης (άθροισμα μάζας και ενέργειας) που υπάρχει σε αυτόν. Η γεωμετρία του χωροχρόνου επομένως, μεταβάλλεται αναλόγως προς την παρουσία της μάζας και ερμηνεύεται ως βαρύτητα. Επομένως, δεν είναι η Γη που έλκει τα σώματα προς το κέντρο της με κάποια μυστηριώδη δύναμη, αλλά η καμπύλωση που προκαλείται στον χώρο λόγω της μάζας.

Η κβαντική φυσική

Ο 20^ος αιώνας όμως, έμελλε να σημαδευθεί και από την μελέτη των θεμελιωδών συστατικών της ύλης στον μικρόκοσμο, εκεί δηλαδή που δεν ισχύει η νευτώνεια μηχανική. Ορθώς επομένως θα μπορούσε να ονομασθεί και ως «αιώνας της Κβαντικής Φυσικής», ενός επιστημονικού κλάδου που αναπτύσσεται τάχιστα, ιδιαίτερα χάρη σε επιταχυντές σωματιδίων όπως ο Tevatron στο Fermilab, αλλά και ο LHC στο CERN.

Η αρχή έγινε το 1900 όπου ο Μαξ Πλάνκ (Max Planck) παρατήρησε ότι η ακτινοβολία μέλανος σώματος εκπέμπεται σε συγκεκριμένα ποσά ενέργειας. Αργότερα, ο Δανός Niels Bohr ερεύνησε την δομή του πυρήνα του ατόμου, εισηγούμενος την ιδέα ότι το ηλεκτρόνιο είναι εγκλωβισμένο σε ενεργειακά επίπεδα και τροχιές όπου δεν ακτινοβολεί. Ένας ακόμη σταθμός στην ιστορία της κβαντομηχανικής ήταν το 1927, όταν ο Werner Heisenberg διετύπωσε την αρχή της απροσδιοριστίας, βάσει της οποίας είναι αδύνατη η ακριβής μέτρηση της θέσης, της ταχύτητας και της ορμής ενός σωματιδίου. Τέλος, το 1929 ο κόμης Louis de Broglie εισηγείται την ιδέα της κυματικής φύσης του ηλεκτρονίου.

Η κβαντική θεωρία επομένως, μας δείχνει ότι η φύση στις θεμελιώδεις της μορφές είναι πολύ δύσκολα προσπελάσιμη από τις ανθρώπινες αισθήσεις, ακόμη και με την βοήθεια της πιο εξελιγμένης τεχνολογίας.

Πάρα ταύτα, η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας και ειδικά η κατασκευή επιταχυντών σωματιδίων, επέτρεψε στους επιστήμονες να μελετήσουν σε μεγάλο βαθμό την συμπεριφορά της ύλης στις στοιχειώδεις της δομές, γεγονός που οδήγησε στην διατύπωση του Καθιερωμένου Προτύπου (StandardModel), στο οποίο περιγράφονται οι ιδιότητες και οι φορείς των τριών αλληλεπιδράσεων, ήτοι της ηλεκτρομαγνητικής, της ισχυρής και της ασθενούς πυρηνικής, αλλά και των στοιχειωδών σωματιδίων. Η προσπάθεια των επιστημόνων πλέον, έγκειται στην ενοποίηση των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης.

Η προηγηθείσα σύντομη περιήγηση στα μονοπάτια της Φυσικής επιστήμης κατέδειξε ότι η προσπάθεια του ανθρώπου για την μελέτη των μυστηρίων της φύσεως συνεχίζεται αδιάκοπα με την βοήθεια και της τεχνολογίας. Δεν θα πρέπει όμως να λησμονείται, ότι η Φυσική επιστήμη επιχειρεί ουσιαστικά να απαντήσει σε αρχέγονα φιλοσοφικά ερωτήματα για την προέλευση του Σύμπαντος, εξ’ ου και η διαρκής συμπόρευσή της με τη φιλοσοφία.

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ

1. Θεοδοσίου, Ευ. Οι μεγάλες μορφές ερευνητών και η προσφορά τους στη Φυσική, Αθήνα 2008, {αυτοέκδοση}.
2. Καλαχάνης Κ., Θεοδοσίου Ευ., Πάνου Ευ., Μανιμάνης Β., «Η αντίληψη του χρόνου από τον άνθρωπο στην διδασκαλία του Ιωάννη Φιλοπόνου και η συσχέτισή της με την Ειδική και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας» PhysicsNews, Δεκέμβριος 2012, Ένωση Ελλήνων Φυσικών.
3. Κούτρας, Δ. , Ιστορία και μεταφυσική, Αθήναι 1995.
4. R. Serway, C. Moses, C. Moyer, ΣύγχρονηΦυσική, (μτφ. Γ.Ζουπάνος, Ε. Λιαροκάπης, Σ. Παπαδόπουλος, Κ. Ράπτης) Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2007.